Whipple防护屏超高速碰撞碎片云动量分布研究

碎片云动量对航天器舱壁撞击损伤有着直接影响,本文通过数值模拟对Whipple防护屏超高速碰撞碎片云动量分布规律进行了研究,另外,对超高速碰撞碎片云扩散半径、动量比、Whipple防护屏后靶破坏情况等进行了分析。结果表明,碎片云动量密度随落点半径大致呈三角形分布,但并不是随半径增大线性递减的,相同撞击条件下,受统计区域面积和数据间隔距离的影响,碎片云动量密度峰值以及变化趋势会有所不同。

温度对Whipple防护屏弹道极限参数影响的试验研究

在中国空气动力研究与发展中心超高速所的超高速碰撞靶上进行了-110°、20°和150°温度条件下铝质Whipple防护屏在4.0～6.0km/s范围内的超高速撞击试验。试验获得了该Whipple防护屏在三种温度条件下的弹道极限参数及其变化规律,结果表明：在本文试验状态下,温度对Whipple防护屏弹道极限参数的影响不显著;试验得到的弹道极限参数均大于Christiansen方程的预测值。

泡沫铝防护屏的Whipple防护结构弹道极限数值模拟研究

为研究泡沫铝板作为防护屏的Whipple防护结构抵御空间碎片超高速撞击的特性,模仿泡沫金属的生产原理建立了泡沫金属细观结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学程序进行了超高速撞击数值仿真,通过与实验对比验证了模型的有效性.分别对相对密度为23.2%的理想均匀和非均匀开孔泡沫铝板作为防护屏的Whipple防护结构进行了数值仿真,得到了它们的弹道极限曲线,并与实心铝板作为防护屏的Whipple防护结构进行了对比分析.结果表明,相同面密度的泡沫铝板相对于实心铝板能够在更低的速度上将弹丸粉碎、液化及气化.泡沫铝板作为防护屏,在总体上拥有更好的防护性能;相同面密度的理想均匀泡沫铝板的防护性能总体上优于非均匀泡沫铝板.

玄武岩纤维布Whipple防护结构超高速撞击损伤分析

针对加入玄武岩纤维织物对Whipple防护结构损伤产生的影响进行了实验研究.探讨了将玄武岩纤维织物作为航天器空间碎片超高速撞击损伤防护结构的增强材料用于航天领域的可行性.实验采用的基本构形为Whipple防护结构,玄武岩纤维布按不同方案布置在结构中.实验分析表明,玄武岩纤维布的防护作用在于:其发生击穿破坏时,击穿孔处的纤维束产生的断裂和孔边处纤维束产生的变形消耗和吸收了撞击物的撞击能量;破坏时,玄武岩纤维束中逐次断裂的纤维丝与撞击物的撞击除了对撞击物产生切割作用外还在撞击物中产生高频的间歇冲击波,两者都对撞击物产生碎化作用;玄武岩纤维布自身的破坏不会再产生新的大碎片.

铝合金Whipple防护结构高速撞击实验研究

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的损伤破坏模式及其防护性能,采用二级轻气炮发射球形弹丸,对铝合金Whipple防护结构进行高速撞击实验研究.根据实验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在不同速度区间的损伤模式特征,以及薄铝板防护屏高速撞击穿孔和舱壁弹坑分布随弹丸直径、弹丸撞击速度变化的规律.通过固定弹丸直径,改变弹丸撞击速度,寻找临界撞击速度的方法获得了铝合金Whipple防护结构在0.5～5.5 km/s撞击速度区间内的撞击极限曲线,并与由Christiansen撞击极限方程得到的撞击极限曲线进行了比较,结果表明,实验最小临界弹丸直径略大于预测值.

用于验证数值仿真的Whipple屏超高速撞击试验结果

为提供验证超高速撞击数值仿真所需的试验结果,给出了在中国空气动力研究与发展中心超高速所进行的铝质Whipple屏超高速撞击试验部分结果.试验中,球形弹丸均为LY12铝合金材料,直径为0.4～0.5cm;靶材为间距10cm、厚0.192cm的LY12板材.撞击速度为4.47～6.15km/s,撞击角为0°和45°.给出的试验结果包括弹丸和靶材参数、撞击速度、撞击角、弹孔尺寸、后墙损伤情况和碎片云激光阴影照片等.实验结果表明,撞击速度越高,Whipple屏的防护效果越好,而斜撞击比正向撞击造成的破坏更严重.

铝球弹丸超高速正撞击铝Whipple防护结构舱壁的损伤分析

低地球轨道上的航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击,导致其严重的损伤甚至灾难性的失效。撞击损伤特性研究是航天器防护设计的一个重要问题。采用实验和数值仿真方法,对铝球弹丸超高速正撞击铝合金Whipple防护结构的舱壁损伤特性进行了研究,从而模拟空间碎片对航天器舱壁的超高速撞击作用,并利用AUTODYN-2D软件获得的仿真结果与实验结果进行比较,二者具有较好的一致性。分析了铝合金Whipple防护结构舱壁撞击损伤随弹丸直径、撞击速度和防护间距变化的规律,指出影响舱壁撞击损伤特性的主要因素。

超高速碰撞下Whipple防护结构的数值模拟

结合有关试验结果 ,本文利用有限元方法对 Whipple防护结构在空间碎片高速碰撞下的过程进行了三维数值仿真。计算结果表明 :对于 Whipple防护结构 ,选用适当的材料失效准则 ,计算结果和试验基本接近。因此 ,在 PAM- SHOCK软件的基础上 ,通过适量的验证试验 。

球形弹丸超高速正撞击Whipple防护结构损伤分析

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的防护性能及其损伤破坏模式,采用二级轻气炮结合高速X光照相系统,对球形弹丸超高速正撞击5A06铝合金Whipple防护结构进行了试验研究。根据试验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在弹丸撞击速度为2.0～5.2km/s、弹丸直径为4mm和6.35mm及防护屏厚度为0.5mm、1.5mm、2mm和3mm区间的损伤模式,总结了防护屏穿孔和舱壁损伤随弹丸撞击速度、弹丸直径以及防护屏厚度变化的规律。根据高速X光照片分析了碎片云速度和形态的变化趋势,进而从碎片云角度对舱壁损伤模式进行了分析。

防护板尺寸对Whipple防护结构撞击损伤影响的实验研究

通过高速撞击实验，探讨了采用小尺寸防护板的可行性。实验中采用的Whipple结构由尺寸变化的1mm厚防护板（前板）和尺寸固定的3mm厚舱壁板（后板）组成，防护板与舱壁板间隔10cm。防护板为边长分别为8、12、16和20cm的方形2A12铝合金板，舱壁板为边长为20cm的方形5A06铝合金板。实验过程中均采用直径为4mm的铝合金球形弹丸，撞击速度为1．45～1．71km／s。实验结果表明：Whipple防护结构在舱壁板被击穿的概率大于0．8的条件下和击穿概率为0的条件下的极限速度以及舱壁板临界击穿条件下的速度都与防护板尺寸无关；并且，防护板前后表面击穿孔的直径及击穿孔侧壁的倾斜角也与防护板尺寸无关；但是，在速度相同的条件下随着板尺寸的增大，防护板板面的最大挠度增大，而且，防护板挠曲面的凸凹方向也由单一的凹向变成凸凹方向交替出现；随着速度的增加和板尺寸的增大，防护板最大挠度的增量减小。

微流星体高速撞击航天器Whipple防护结构损伤特性研究(英文)

采用金刚石模拟高脆性、高熔点微流星体材料,对航天器典型Whipple防护结构进行高速撞击试验.试验表明,撞击产生的高温高压效应导致金刚石部分或全部转化为石墨,金刚石对防护结构的损伤主要体现在中低速阶段,当撞击速度大于4.3km/s时,对后板的灼烧损伤极为显著。

一种新的Whipple防护结构弹道极限方程准确率分析

文章提出一种新的Whipple防护结构弹道极限方程,对之进行了准确率分析,并与NASA约翰逊空间中心最新的Christiansen方程进行了对比。结果显示:新方程对国内外大量试验数据的预测准确率达到了78%,而Christiansen方程的预测准确率为72%。对于国内200多次超高速碰撞试验数据,新方程预测准确率为78%,而Christiansen方程仅为61%。可见,文章所提出的新方程对国内外材料具有高准确率和普适性,能够满足工程需要。该方程有效克服了国外有关弹道极限方程预测准确率低及通用性不强等缺点,可为我国空间站的M/OD撞击风险评估和防护设计提供技术支持及保障。

活性Whipple结构超高速撞击防护性能实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构,开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备,获得并分析了碎片云特性;通过回收的防护结构靶板,研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性;通过与经典Christiansen撞击极限方程对比,获得活性材料Whipple结构防护性能,并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明,相较于同面密度铝合金材料,活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少,从而显著提升航天器的防护能力,撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。

弹丸正撞击Whipple防护结构后墙的穿孔孔径研究

微流星体及空间碎片的超高速撞击对在轨航天器,特别是长期留轨的载人航天器构成了严重的威胁,甚至可导致灾难性失效,为此航天器采用了各种Whipple类防护方案以提高其在轨生存能力。穿孔孔径是研究弹丸超高速撞击下航天器舱壁撞击损伤的重要参数之一。文章对目前所建立的Burch损伤经验公式与Schonberg-Williamsen穿孔经验公式进行了研究,比较了其各自特点;同时,基于上述模型提出了适用范围更广的弹丸超高速正撞击Whipple防护结构后墙的穿孔孔径经验公式,为航天器的灾难性失效分析提供有效的工具。

基于最优运输无网格法的Whipple屏超高速撞击数值模拟

Whipple屏是航天器防护空间碎片撞击的常用结构。现有的方法在模拟Whipple屏超高速撞击时均存在问题,本文采用最优运输无网格法(optimal transportation meshfree,OTM)对其进行模拟。OTM法是一种拉格朗日无网格法,其特点是运用最优运输理论对时间进行离散,采用带有位置信息的节点和带有材料信息的物质点对空间进行离散,利用局部最大熵(local maximum entropy,LME)方法得到插值函数,基于能量释放率来判断材料是否失效。本文首先用OTM法对铝球超高速撞击单层铝板进行模拟,通过与实验结果和各类SPH法的计算结果对比,验证了OTM法在超高速撞击问题上的适用性;然后采用OTM法对Whipple屏超高速撞击进行模拟,将OTM法预测的缓冲墙与后墙的损伤情况与实验结果进行对比,结果显示OTM法不仅能准确预测缓冲墙的弹孔直径,也能很好地模拟出后墙的剥落、穿透情况和碎片云的形态。

Whipple防护结构弹道极限方程的多指标修正

为获得适用于国内情况的Whipple防护结构超高速弹道极限方程,研究了指标寻优方法,对国外的Christiansen改进型方程,以国内实验数据为依据进行多指标修正。结果发现:以预测概率型指标(包括总体预测率、安全预测率)和预测误差型指标(如:预测误差平方和)联合进行方程系数的逐级修正,可获得预测效果更好的修正方程。通过对低速段和高速段方程的整体系数进行修正,最终得到的新方程在国内107个实验数据上的总体预测率达到了89.7%,安全预测率则高达100%,分别较修正前的相应指标提高了10.3%和2.8%。

基于HUD技术的多功能内窥镜防护面屏设计研究

本文介绍了一种采用HUD技术的多功能医用内窥镜防护面屏。相比普通一次性防护面屏,其优势体现在避免了医护人员在检查过程中频繁地进行视线转移,提高了工作效率和检查精度。防护面屏具有可拆卸消毒和重复使用的特点,降低了耗材的损耗和医疗成本的支出,另外还附有光源和摄像头,提供录制功能,医务人员可以实时进行录制保存,提供素材教学,也便于病例回顾总结分析。面屏轻巧便于佩戴,不影响操作,提高了内窥镜检查的医疗质量和效率,具有推广价值和广泛的应用前景。

梯度复合Whipple防护结构的超高速撞击实验

利用二级轻气炮在撞击速度3.5和5.5km/s下对3种防护结构(两种梯度复合Whipple防护结构以及传统Whipple防护结构)进行了超高速撞击实验,并利用SEM对前板冲孔进行了微观观测。实验结果表明:采用非晶合金复合的梯度防护结构,在弹丸撞击速度为3.5和5.5km/s时,防护性能均优于传统Whipple防护结构;而采用陶瓷复合的梯度防护结构,则在弹丸撞击速度为5.5km/s时具有明显的优势。通过量纲分析,获得了影响梯度复合Whipple防护结构防护性能的重要量纲一参数,揭示梯度层的存在,可有效提高弹丸破坏数,从而提高新结构防护性能。

弹丸正撞击Whipple防护结构后墙的撞击载荷分析

文章为了分析超高速弹丸对Whipple防护结构后墙的撞击损伤,利用质量守恒、动量守恒及能量守恒等分析了碎片云运动特性,在此基础上构造了碎片云对Whipple防护结构后墙的法向撞击载荷函数,为进一步分析弹丸超高速正撞击Whipple防护结构后其后墙的裂纹长度提供了有效的分析工具。

Whipple防护结构高速区弹道极限数值模拟研究

受二级轻气炮发射速度的限制,在以往研究中极少进行弹体速度大于8 km/s的Whipple防护结构撞击试验,导致建立高速区弹道极限方程所依据的实验数据并不能完全反映Whipple防护结构在高速区的防护能力。通过将GRAY三相物态方程代入自编物质点法计算程序,对厚靶侵彻、Whipple防护结构高速区撞击等工况进行数值模拟,得到Whipple防护结构在高速区的弹道极限,仿真结果表明其高速区防护能力高于弹道极限方程的预测,对航天器防护结构的设计具有参考价值。